Adsorbant

3.1 Études de cas

Pour les adsorbants dérivés des boues industrielles, divers paramètres doivent être pris en compte, tels que le pH, le dosage de l’adsorbant, la concentration du sorbat et le temps de contact, qui peuvent influencer considérablement l’efficacité du processus. La décontamination de l’eau à l’aide de ces matériaux a été largement étudiée et rapportée dans la littérature (Devi et Saroha, 2016). Dans cette section, seules des études de cas concernant l’utilisation de boues provenant de diverses industries et comparant différents types de boues industrielles pour un même contaminant sont abordées. Des informations détaillées sur les techniques expérimentales et les résultats peuvent être trouvées dans chaque source connexe de la liste de référence.

Pb, Cd et Cr sont les principaux métaux lourds dérivés des activités industrielles qui se retrouvent en concentrations élevées dans les eaux usées. Le Pb en particulier est extrêmement dangereux car il a tendance à se bioaccumuler dans la chaîne alimentaire, même à de faibles concentrations.

Martín et al. (2005) ont étudié l’utilisation des boues de haut fourneau pour l’élimination du Pb, du zinc (Zn) et du Cd des solutions aqueuses polluées. La boue de haut fourneau, composée d’oxydes de fer et de coke, est un sous-produit de l’industrie sidérurgique. Ces auteurs ont rapporté une surface spécifique de 27,4 m2/g pour ces boues, ainsi qu’une plus grande affinité pour le Pb. En effet, l’adsorption du Pb variait de 64,2 à 79,9 mg/g, augmentant avec la température de 20°C à 80°C, de même que l’adsorption du Zn et du Cd, de 4,23 à 9,16 mg/g, et de 6,74 à 10,2 mg/g, respectivement. En outre, ils ont constaté que les boues de haut fourneau ont adsorbé de plus grandes quantités de métaux que les écailles de laminoir, un sous-produit de la même industrie sidérurgique.

Une efficacité similaire dans l’adsorption du Pb a été rapportée à partir de l’utilisation de boues clarifiées comme adsorbant à faible coût (Naiya et al., 2009), provenant de l’épaississeur de boues du four à oxygène basique dans la production d’acier. Dans ce cas, bien que la surface spécifique était d’environ 78,5 m2/g, ce qui est plus élevé que celui rapporté par Martín et al. (2005), la capacité d’adsorption d’environ 92,5 mg/g était similaire. Dans des conditions optimales (à savoir, une valeur de pH de 5, un niveau de dosage de l’adsorbant de 5 g/L, et 1 h de temps de contact), le pourcentage d’élimination du Pb a diminué avec une augmentation de la température de 30°C à 50°C.

La boue rouge est un autre sous-produit industriel répandu fréquemment utilisé comme adsorbant pour le traitement des eaux. Ce résidu de déchets solides provient de la digestion basique du minerai de bauxite lors de la production d’alumine (Bhatnagar et al., 2011). En raison de ses fortes propriétés basiques, la boue rouge est souvent utilisée pour l’adsorption des métaux, notamment Pb, Cr, Cd et Zn. Santona et al. (2006) ont étudié les capacités d’adsorption de Pb, Cd et Zn avec des boues rouges non traitées et traitées à l’acide. Le traitement acide a été effectué avec HCl, suivi d’un lavage à l’eau distillée. Les valeurs de surface spécifique obtenues avec les boues rouges non traitées et traitées à l’acide étaient de 18,9 m2/g et 25,2 m2/g, respectivement. Cependant, la quantité de métaux adsorbés par la boue rouge non traitée était supérieure à celle adsorbée par la boue rouge traitée. Pour les deux adsorbants, Zn a été plus efficacement éliminé que Pb et Cd.

L’application d’autres traitements à la boue rouge a grandement influencé la surface. La SBET la plus élevée, 28,0 m2/g, a été obtenue après activation par HCl plus chauffage à 600°C. La valeur SBET avec seulement l’activation HCl était de 20,7 m2/g, tandis que la valeur la plus faible, 14,2 m2/g, a été obtenue dans la boue rouge lavée uniquement à l’eau. Encore une fois, l’augmentation de la surface ne reflète pas les capacités d’adsorption des adsorbants car l’adsorption maximale a été atteinte avec la boue rouge non traitée pour les trois métaux étudiés, Pb, Cu et Cr (Apak et al…, 1998).

Un traitement de la boue rouge avec H2O2 et de l’air a semblé produire un ISBA efficace, à la fois en termes d’adsorption (64,8 mg/g pour Pb et 35,7 mg/g pour Cr), et de surface spécifique (108 m2/g) (Gupta et al., 2001). La boue rouge a également été utilisée pour éliminer d’autres métaux lourds, tels que les ions Zn, de la solution aqueuse (Sahu et al., 2011). Le traitement des boues rouges neutralisées par la séquestration de CO2 et la calcination à 500°C a permis d’obtenir une capacité d’adsorption maximale de 14,9 mg/g, correspondant à une capacité d’élimination du Zn de 96%. Les auteurs ont souligné que cette méthode d’activation a amélioré la SBET, atteignant 68,2 m2/g, ce qui représente environ le double de la valeur de la surface spécifique de la boue rouge non traitée (31,7 m2/g). Bien que les valeurs de surface spécifique étaient plus élevées que celles trouvées dans les études précédentes sur la boue rouge, la capacité d’adsorption de Zn était inférieure à celle de Pb.

De faibles valeurs d’adsorption de Zn, de l’ordre de 7 mg/g, ont également été trouvées par Mishra et al. (2013) lors de l’utilisation d’une boue résiduelle séchée d’aciérie comme adsorbant. Bien que la valeur du SBET (7,5 m2/g en moyenne) était beaucoup plus faible que celle trouvée par Martín et al. (2005), les capacités d’adsorption étaient comparables.

Les ISBA sont également largement utilisés pour l’élimination des colorants des solutions polluées. De nombreuses études sur l’adsorption des colorants ont été réalisées avec des ISBAs inorganiques et organiques. Cependant, les résultats montrent que les adsorbants industriels organiques sont plus efficaces que les adsorbants inorganiques pour l’élimination des colorants basiques ou acides (Bhatnagar et Jain, 2005 ; Jain et al…, 2003).

Parmi les déchets industriels examinés par Jain et al. (2003), les boues obtenues de l’industrie des engrais étaient mieux adaptées à l’élimination des colorants basiques tels que la chrysoidine G, le cristal violet et le bleu meldola que celles provenant des aciéries (c’est-à-dire les scories de haut fourneau, les poussières et les boues). Tous ces déchets ont été activés sur la base de traitements similaires. Tous les adsorbants ont montré une tendance d’adsorption similaire pour chaque colorant, mais la meilleure affinité était pour le bleu meldola. L’adsorption maximale pour ce colorant était de 170 mg/g sur les adsorbants carbonés, 67 mg/g sur les boues de haut fourneau, 34 mg/g sur les poussières de haut fourneau et 3,7 mg/g sur les scories de haut fourneau. En outre, ces valeurs suivaient précisément la tendance à la baisse de la surface des adsorbants (c’est-à-dire 380, 28, 13 et 4 m2/g, respectivement).

Le colorant peut également être éliminé avec les boues issues de la fabrication du papier et de la cellulose. Le principal avantage de ce type d’adsorbant est la forte teneur en matière organique et sa production en grande quantité par l’industrie papetière (Jaria et al., 2017). Bien que ces boues puissent contenir des substances toxiques et des additifs chimiques, et nécessitent donc un traitement et une activation, leur réutilisation comme adsorbant à faible coût semble très efficace.

Après traitement d’activation, cet adsorbant carboné a éliminé plus efficacement le colorant cationique (bleu de méthylène, 263 mg/g), que le colorant anionique (rouge réactif, 34,3 mg/g) de la solution aqueuse (Li et al., 2011). En outre, la surface spécifique de cet adsorbant (135 m2/g en moyenne) obtenue après carbonisation à basse température et après activation physique à la vapeur était environ cinq fois plus élevée que celle des boues brutes (25 m2/g). Nasr et al. (2017) ont montré que l’activation chimique au carbonate de potassium (K2CO3), suivie d’une activation physique à la vapeur, d’une boue de papier utilisée comme précurseur brut pour la préparation d’adsorbants à faible coût, permettait d’atteindre des niveaux élevés d’élimination du colorant bleu de méthylène dans des solutions aqueuses. Dans des conditions optimales, la capacité d’adsorption maximale était de 260 mg/g. Cela reflète le développement des structures de pores obtenues à une température d’activation de 900°C, qui ont contribué à une surface spécifique de 908 m2/g, environ 56 fois supérieure à celle des boues de papier brutes. Bhatnagar et al. (2007) ont constaté que les colorants anioniques sont éliminés en plus petite quantité que les colorants cationiques par les adsorbants des boues de papeterie. Ces résultats indiquent que même après une activation physique avec de l’air (à 500°C), la capacité d’adsorption du colorant orange G n’était que de 62,3 mg/g. Cependant, l’efficacité des boues de papeterie à éliminer les colorants anioniques était légèrement inférieure à celle des charbons actifs commerciaux. Par conséquent, étant donné son faible coût, la boue de papeterie peut encore être considérée comme un adsorbant efficace pour l’élimination des colorants dans l’eau.

En conclusion, l’adsorption des polluants dans le cas des ISBAs dépend de plusieurs facteurs liés au matériau précurseur, ainsi qu’aux différents paramètres concernant la méthode de préparation. Ces facteurs doivent être étudiés pour obtenir une décontamination de l’eau la plus efficace possible.